区域水土流失动态监测软件设计与实践

陈 妮，王 静，陈 东，王美林，郭子豪，李 健，应 丰，周 弈

(中国电建集团 华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

水土流失是我国当前面临的重大生态环境问题之一，科学有效地开展水土流失动态监测有助于及时掌握水土流失动态变化情况，对于指导生态建设具有重要意义。2018年水利部印发了《全国水土流失动态监测规划(2018—2022年)》，之后又陆续印发了《区域水土流失动态监测技术规定(试行)》《2019年水土流失动态监测工作优化方案》《2020年度水土流失动态监测技术指南》《2021年度水土流失动态监测技术指南》，对水力侵蚀地区水土流失动态监测的技术方法做出了明确规定，要求以县为基本单位，按照中国土壤流失方程(Chinese Soil Loss Equation, CSLE)开展区域水土流失动态监测工作。此项工作数据计算过程复杂、成果统计形式烦琐、时间要求紧迫，在实际过程中需要投入大量的人力和物力，且作业效率低、易出错，因此迫切需要根据技术规范研发功能完善的区域土壤侵蚀评定及统计的自动化软件，以更加科学、快捷、准确地掌握水土流失现状及动态变化数据。

1 需求分析

基于《2021年度水土流失动态监测技术指南》，梳理CSLE模型需要的参数、参数的计算方法、成果数据的统计及整编要求，分别开发土壤侵蚀因子和土壤侵蚀强度的计算模块、数据批量处理模块、成果数据自动填写整编表格模块，形成区域水土流失动态监测软件(以下简称监测软件)。

1.1 模型计算需求

在水力侵蚀地区，依据《2021年度水土流失动态监测技术指南》中给定的方法确定各因子值，采用CSLE模型计算土壤侵蚀模数。CSLE模型基本形式为

A=R·K·L·S·B·E·T

(1)

式中：A为土壤侵蚀模数，t/(hm2·a)；R为降雨侵蚀力因子，MJ·mm/(hm2·h·a)；K为土壤可蚀性因子，t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)；L为坡长因子，无量纲；S为坡度因子，无量纲；B为植被覆盖与生物措施因子，无量纲；E为工程措施因子，无量纲；T为耕作措施因子，无量纲。

土壤侵蚀模数计算功能是根据用户输入的参数和数据预处理的结果计算出土壤侵蚀模数。各因子中，R、K因子取值采用水利部统一下发数据，L、S因子由流域机构统一生产。除R、K、L、S外其他因子的计算、部分因子的修正及土壤侵蚀强度的判定，以往主要采用ArcPy脚本或者ArcGIS平台Model Builder工具实现，不足之处在于稳定性低、迁移性差、对数据存储路径要求高、土壤侵蚀统计成果缺乏预览等。因此，监测软件设计需要先实现B、E、T的计算及基于土地利用的L、S因子修正，再根据CSLE模型计算得到整个空间单元对应的土壤侵蚀模数和土壤侵蚀强度。当土壤侵蚀模数计算功能执行完成后，监测软件需要实现土壤侵蚀强度统计结果预览和不同土地利用类型水土流失面积统计，以提前控制成果质量。

1.2 数据批量处理需求

植被覆盖度计算过程中采用的参数修正方法需要依据水利部下发的植被覆盖度修订系数，批量修订近3 a每年24个半月的植被覆盖数据，并计算近3 a24个半月植被覆盖度平均值。同时，在区域水土流失动态监测成果电子数据整编工作中，为了便于成果过程管理和土壤侵蚀模数计算，要求将监测区域及区域内各县的电子数据按统一格式存储，且数据命名方式符合规定。在以往工作中，植被覆盖度的批量计算采用ArcPy脚本实现，数据裁剪、重命名是由人工分步骤进行的，不能同步实现。因此，监测软件设计需要实现栅格数据批量计算，以及数据批量裁剪、命名功能。

1.3 成果统计需求

水土流失动态监测整编成果是中国水土保持公报的重要内容，同时也是部分省市进行水土保持目标责任制考核的重要依据之一。依据《2021年度水土流失动态监测技术指南》规定，年度区域水土流失动态监测数据整编工作中各县需统计87张表格。在以往工作中，技术人员通过ArcGIS对监测成果栅格、矢量数据进行计算统计，过程烦琐，工作量大，且容易出错，急需开发软件实现自动化统计。经复杂程度分析，软件设计需要实现土地利用、植被覆盖度及土壤侵蚀结果的自动化统计，水土保持措施统计可直接依据水土保持措施矢量属性表填写，人为扰动地块结果统计工作包括在土地利用结果和土壤侵蚀结果统计之内，不用单独开发软件功能子项。根据各个县级行政区面积，监测软件设计在成果统计过程中对行政区面积进行校正，且为保证统计表中的面积与比例闭合，还需要实现数据的自动面积平差及校核功能。

2 监测软件设计

2.1 软件环境设计

监测软件基于Windows平台，同时为提升整个系统的处理效率，使用C#语言作为用户界面的访问接口，C++语言作为算法底层的实现，将两者相结合从而加快程序的开发速度，保证程序的质量。

(1)监测软件开发环境。硬件环境为Intel(R) Core(TM) i7-8700K CPU@3.70 GHz 12核处理器；操作系统为Microsoft Windows 10 Professional 64 位；开发语言包括.NET环境、C#语言、C++语言，基于ArcGIS Engine10.2.2进行二次开发。

(2)监测软件运行环境。硬件条件内存8 GB以上，硬盘剩余空间500 GB以上，处理器酷睿i5 4核以上；计算机操作系统Windows 10专业版/企业版；软件包括ArcGIS 10.2系列及Office 2010、2013、2016。

2.2 软件架构设计

考虑到监测软件数据具有一定保密性，不能在网络流通，并且涉及大量数据运算，对应用计算机的内存、数据读取速度、处理器计算效率要求较高，因此监测软件设计为单机版软件架构模式。

2.3 软件功能模块设计

监测软件功能主要包括土壤侵蚀因子计算、批量处理、土壤侵蚀强度判定、成果统计4个方面(见图1)。每个功能模块下面有相对应的功能子项，软件功能模块结构见图2。

图1 监测软件首页界面

图2 监测软件功能模块结构

2.3.1 土壤侵蚀因子计算功能模块

土壤侵蚀因子计算主要包括E、T、B因子的计算及L、S因子的修订。

(1)从土壤侵蚀地块属性表获取“工程措施类型或代码”和“耕作措施轮作区代码”字段值，将土壤侵蚀地块转换为10 m分辨率的土地利用栅格数据，分别计算栅格单元对应的E、T因子值。

(2)根据用户输入的10 m分辨率土地利用栅格、乔木林林下盖度(GD)及盖度修订系数等模型参数，然后结合24期植被覆盖度(FVC)计算园地、林地、草地的土壤流失比例(slr)。导入降雨侵蚀力占全年侵蚀力比例(wr)，计算得到B因子值。

(3)基于流域机构统一计算的L、S因子值，读取土地利用栅格数据，根据《2021年度水土流失动态监测技术指南》修正当前栅格单元位置的L、S因子值。

2.3.2 数据批量处理功能模块

数据批量处理主要包括植被覆盖度批量计算及批量裁剪。

(1)在监测软件中输入近3年每年24 个半月250 m空间分辨率MODIS-NDVI植被指数产品，计算得到植被覆盖度数据及24期30 m空间分辨率植被覆盖度修订系数，依次计算某监测年前3年的每年24个半月10 m植被覆盖度，再将3年栅格数据进行平均值运算，得到3年平均24个半月植被覆盖度。

(2)批量裁剪分为一裁多及多裁一两种情况。对于一裁多，导入一个县的边界矢量文件，以及多个矢量或栅格文件，输入县名称，选择裁剪输出文件夹，软件自动创建县文件夹并输出以县级代码及县名称开头的裁剪成果。对于多裁一，选择多个县的边界矢量文件，导入一个矢量或栅格数据，输入县名称，选择输出路径，软件自动创建多个县文件夹并输出以县级代码及县名称开头的裁剪结果。

2.3.3 土壤侵蚀强度判定功能模块

土壤侵蚀强度判定主要包括土壤侵蚀模数计算、人为扰动地块侵蚀强度评价和土壤侵蚀强度判定。

(1)根据CSLE模型，输入7个土壤侵蚀因子做乘积运算，计算当前栅格的土壤侵蚀模数。

(2)基于用户输入的土壤侵蚀地块数据，获取土地利用类型中的人为扰动地块及其工程措施类型，结合利用坡度数据计算出的人为扰动地块原地面平均坡度，判定其土壤侵蚀强度，叠加基于实地调查的人为扰动地块侵蚀强度数据，评价人为扰动地块整体侵蚀强度，并转为10 m空间分辨率的栅格图层。

(3)基于土壤侵蚀模数，依据《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190—2007)等技术标准，判定每个栅格的土壤侵蚀强度。人为扰动地块直接采用其土壤侵蚀强度评价栅格数据，融合形成土壤侵蚀专题图层。通过监测软件后台自动统计，预览土壤侵蚀强度统计结果及不同土地利用类型水土流失面积统计结果，见图3。

图3 土壤侵蚀强度判定界面

2.3.4 成果统计功能模块

成果统计功能主要是实现土地利用、植被覆盖度及土壤侵蚀的自动化统计，生成土地利用、土地利用变化转移矩阵、植被覆盖度、土壤侵蚀面积、水土流失转移矩阵、不同坡度等级耕地面积、不同土地利用类型水力侵蚀面积、不同坡度等级耕地水土流失面积、园林草地水土流失面积、不同坡度等级植被覆盖度、不同坡度等级园林草地水土流失面积等，共计11张表格，其余的土地利用、植被覆盖度及土壤侵蚀结果统计表格均可以由这11张表格填写内容得到。成果统计模块通过读取输入的栅格、矢量数据和行政区面积，进行后台统计、面积平差、校核，输出填写好的表格。

3 软件应用与实践

监测软件开发完成后，首次应用于2021年度新安江国家重点预防区水土流失动态监测中，支撑第三方技术服务单位完成了10个县(市、区)的数据处理、模型计算及成果统计工作，总计面积1.78万km2，生产数据2 TB，自动统计表格200余份。与传统计算、统计方式相比，极大地减少了工作量，运算速度提升了80%，数据存储空间节约了80%，报表统计工作效率提升了150%。2021年新安江国家重点预防区动态监测工作在通过水利部遥感解译和专题信息提取抽查后，需在1个月内完成动态监测成果的初步计算与统计，在此紧迫情况下，该软件为第三方技术服务单位在规定的时限内圆满完成动态监测工作提供了重要的技术保障。

4 结 语

监测软件为水保技术人员在数据处理方面提供了极大便利，能够按要求生成准确的数据或报表，简化了作业流程，减少了大量的中间运算过程，节约了时间成本和数据存储空间成本，具备为区域水土流失动态监测提供侵蚀强度自动化计算和成果高效化整编的能力。

监测软件的应用推动第三方技术服务单位在遵循统一的技术路线和方法基础上，开展区域水土流失动态监测工作，实现土壤侵蚀因子计算、数据批量处理、土壤侵蚀强度判定、监测成果统计等全流程监测工作的自动化，进一步推进了全国区域水土流失动态监测工作的智能化进程，提高了动态监测计算和统计工作的效率和质量，为今后的区域水土流失动态监测技术规范提供了思路。后续将进一步增强监测软件使用中的报错功能及容错能力，优化用户界面。